轮胎硫化机电磁热板磁场分布仿真分析

作者简介：张正罗（1964-），男，高级工程师，学士，主要从事橡胶设备技术工作。

收稿日期：2020-03-29
轮胎硫化过程中，设备需要保持在较高的温度水平（约165~185 ℃），以缩短硫化时间，保证轮胎具有良好的硫化效果
[1]。

目前常用的轮胎硫化机中常用
的加热方式有蒸汽加热以及导热油加热、电加热[2~4]。

其中蒸汽加热与导热油加热都具有温度均匀性好的优点，但是存在加热效率低的缺点，特别是蒸汽加热过程中能量损耗严重；导热油加热过程中，对导热油的稳定性（沸点、闪点）要求高，设备易出现漏油等故障。

电加热过程中具有效率高的优点，但是反复加热，存在热电偶损耗严重、设备维护费用高的缺点。

电磁感应加热是基于法拉第发现的电磁感应现象，连续导体在交变磁场中自发的产生涡流
[5~7]
，进
而产生焦耳热。

它具有生热效率高、能量转化率高、绿色环保、无接触加热等优点。

因此被工程技术人员广泛研究。

张金云
[8~9]
等人用一种高刚性、高导热的
可控伸缩式金属模具代替胶囊，并在硫化过程中应用电磁感应加热，为高性能轮胎的精密制造提供了一种新的途径。

翟子程
[10]
等人设计正三角形和正方形两种
缠绕磁芯排布的电磁加热方案替代原有的热板加热方式，得到温度均匀的电磁热板结构。

由于感应加热过程中，被加热体形状和线圈结构的变动、设备参数等因素的变化都会影响到磁场的分布，并且相关内容缺乏深入研究。

因此本文以华澳轮胎设备科技（苏州）有限公司生产的型号为LLY-B1220X1960X2的轮胎硫化机热板为例，进行电磁热板的相关设计。

本文计算了热板达到工作温度需要的
轮胎硫化机电磁热板磁场分布
仿真分析
张正罗1，张功达2，于晓东2，李小珍
1
(1.华澳轮胎设备科技（苏州）有限公司，江苏　苏州　215000;
2.苏州大学机电工程学院，江苏　苏州　215000)
摘要：轮胎硫化设备能耗高、污染重，已成为制约行业发展的瓶颈，因此高效、节能的电磁感应加热技术在轮胎工业中具有广阔的应用前景。

本文从轮胎硫化机电磁热板参数设计入手，并进行线圈的结构设计，通过maxwell 仿真软件研究了电磁热板的磁场参数和线圈结构对硫化机热板的涡流损耗分布的影响。

结果表明：电流量40 A ，工作频率15 kHz ，线圈长度为32 m 的条件下具有较好的涡流损耗分布；涡流损耗集中分布在线圈覆盖的区域上，因此线圈的设计需要结合被加热的区域的需要。

关键词：电磁热板；涡流损耗分布；电磁参数；轮胎工业中图分类号：TQ330.61
文章编号：1009-797X(2020)11-0045-06
文献标识码：B DOI:10.13520/ki.rpte.2020.11.011
电磁参数，通过Maxwell 仿真软件研究了线圈结构和电磁参数对硫化机电磁热板的涡流损耗分布的影响。

本文的工作为电磁热板的开发积累了经验基础，为电磁热板的优化提供了思路。

1　电磁热板的基本原理以及方案设计
1.1　电磁热板的基本原理
根据楞次定律
[11]
，电磁热板利用连续导体在交变
磁场中自发的产生感应电流以抑制磁通量的变化，感应电流与热板的阻抗共同作用，使得热板上快速生成大量的热量用以轮胎硫化。

整个过程中感应电源用于提供合适的电磁参数，线圈的结构设计一方面保证线圈的电感与电源相匹配，同时与热板的结构相适应，保证热板上具有均匀的生热效果。

整个过程中的基本原理如图1所示。

1.2　电磁热板参数及结构的相关设计
电磁参数根据被加热件的实际工况确定。

热板材料为直径1 205 mm 的Q235的圆板，其密度ρ为7.8g/cm 3，比热容c 为502 J/℃，∆T 为160 ℃。

根据：
Q 吸收=c ∙m ∙ΔT （1）
t Q
P =
热板 （2） 热传递
电磁热板
电源
ηη⋅=P P （3）
第46卷 第11期
·46·
I U P ××=3
（4） I 谐振≈(2~3)I 输入 （5）
得到电磁热板的参数，如表1所示。

表1　电磁热板参数
参数
数值电源的功率/kW 7.5线圈电流/A 23~34.5线圈横截面积/mm 2
≈10线圈长度/m
30~40
电磁热板结构如图2所示，主要包括盖板、金属基板和线圈三大部分。

1—盖板；2—金属基板；3—线圈
图2　热板结构图
2　硫化机电磁热板磁场的有限元仿真
2.1　仿真过程以及假设
电磁热板中产生的热量Q 为：
Q 产生=I 涡2
流Rt
（6）
其中电阻R 为热板的阻抗，对于相同的热板，具有相同的电阻值。

I 涡流是在交变磁场中产生的，根据麦克斯韦方程组：
=∇=∇∂−∂=∇+∂∂=∇0
),(),(),(/),(),()
,(/),(),(t r B t r t r D t
t r B t r E t r J t t r D t r H ρ
（7）计算过程中忽略安培环路定律产生的位移电流，并在麦克斯韦方程组中引入标量电势ϕ和矢量磁势A ˊ，得到工件中涡流场电流密度 的复数形式
[12]
为：
φσσ∇⋅−′⋅⋅⋅−=A f j J
（8）式中：f 为加热频率，Hz ；σ为媒介电导率，S/m ；A ˊ为矢量磁势，Wb/m ；ϕ为电势，V 。

由此可见：电流密度的大小与加热频率、热板本身的电导率、电势等因素相关。

在电磁场仿真的过程中，可以重点观测涡流损耗的情况，以表征热量的分
布。

在实际加热过程中，随着温度的升高，热板材料
的相对磁导率逐渐减小、电阻率增大，致使涡流强度减小，加热功率也随之减小。

但是热板的最高温度不会超过180 ℃，整体温度水平相对较低，因此假定材料的电阻率和相对磁导率保持恒定。

2.2　物理模型搭建及材料参数
为了实现热板的均匀透入式加热，采用整体线圈加热模型，模型的直径为1 213 mm ，整体厚度为28 mm 。

使用Solidworks 软件建立热板和整体线圈三维模型，材料参数如表2所示。

表2　材料参数
部件材料相对磁导率
电导率（×10-6Ω∙m ）
线圈铜10.0175金属基板
Q235
195
0.254
2.3　仿真方案的设计
感应生热过程中，热板的生热能力、热量分布的均匀性、设备整体的磁滞损耗和热效率是线圈设计过程中关注的重点。

本文以理论计算的数值为基础，设计了不同的线圈结构，探究不同电磁参数以及线圈造型对热板磁场的影响规律。

仿真的电磁参数如表3所
示。

表3　电磁参数
相关因素数值
热板与线圈间距根据线圈与热板之间的最小距离确定
线圈电流/A 203040
工作频率/kHz
510152025
线圈长度的确定依据电源功率的选择和实际经验，研究长度为22 m 、32 m 的线圈。

线圈的造型设计根据热板加热的需要，设计有均匀分布、外疏内密、外密内疏三种造型，具体结构如图3所示。

3　电磁场仿真结果分析
3.1　电磁参数对电磁热板磁场分布的影响
（1
）电磁热板磁场分布分析
图1 感应生热的基本原理
电磁热板的磁通量分布和磁场强度分布情况如图4所示。

通过图4可以看出在靠近线圈的位置处具有最大的磁通量和磁场强度。

并且在线圈上方和下方磁通量和磁场强度并非对称分布，穿过金属热板后磁通量和磁场强度偏弱，这是由于铁磁性材料制备的金属热板具有更好的导磁效果。

强磁场强度处能够生成更高的的涡流，保证电磁热板较好的生热效果。

因此在保证金属热板与线圈之间具有良好隔热效果条件下，尽可能的减小线圈与热板之间的距离。

（2）频率对电磁热板涡流损耗分布的影响图5为线圈长度为22 m 和32 m ，电流量为40A
的条件下，不同频率对应的电磁热板涡流损耗变化情况。

可以看出随着频率的升高热板的涡流损耗也会相应增加，但是对于长度为22 m 的线圈，频率超过10 kH 之后涡流损耗的数值不再增加。

图5　不同线圈长度涡流损耗随着频率的变化
图6为线圈长度32 m 时，不同频率下电磁热板的涡流损耗以及涡流分布情况。

从图中同样可以得到：随着频率的升高，涡流损耗逐渐增强。

但是涡流损耗分布的均匀性出现下降。

金属热板上涡流呈圆周状分布，在线圈覆盖的区域上具有较高水平的涡流分布，在边缘以及中心处涡流的分布相对较弱。

（3）电流对电磁热板涡流损耗分布的影响图7为线圈长度为22 m 和32 m ，频率15 kHz 条件下，磁热板涡流损耗随电流量变化曲线。

可以看出：提高电流量可以有效提高电磁热板的涡流损耗。

图8为线圈长度为32 m 的情况下，不同电流量对应的热板涡流损耗分布图。

根据电磁参数的仿真结果，感应生热过程中，高
的频率和电流均有利于得到较高水平的涡流损耗。

但
图4
　电磁热板的磁通量分布和磁场强度分布图
图3　线圈造型
第46卷 第11期
·48·
图6　电磁热板涡流损耗以及涡流分布
是由于频率的升高，金属热板上的集肤深度降低，这将会降低涡流损耗分布的均匀性，因此频率的数值不能过高。

3.2　线圈结构的仿真计算
为了得到全面的，积累不同线圈结构下热板的涡流损耗分布效果，设计了三种线圈结构：均匀分布、外疏内密、外密内疏。

相应电磁参数为：热板与线圈间距2 cm ，线圈电流40 A 。

不同线圈结构下的涡流损耗数值随频率的变化如图9所示。

涡流损耗分布以及涡流分布如图10所示。

通过仿真结果可以看出：涡流损耗集中分布在线圈覆盖的金属热板平面上，该区域也是热量产生的集中区域。

对于均匀分布的线圈，在金属热板上均匀分布；对于外疏内密和外密内疏线圈，涡流损耗较大的区域位于线圈密集处。

对于外密内疏线圈，整体涡流损耗的均匀性要高于外疏内密线圈，由于线圈密集处靠近金属热板外侧，因此在外侧具有较高水平的涡流损耗分布。

图7
　不同线圈长度涡流损耗随着电流量的变化
图8　不同电流量情况下的涡流损耗分布以及涡流分布
图9　不同线圈结构下热板涡流损耗数值随频率变化
4　总结
感应加热作为一种绿色环保高效的加热方式，在轮胎硫化设备中应该有良好的应用前景。

通过电磁热板的磁场分析可以得到：随着距离线圈近的位置处有强的磁场分布；频率和电流的增加，均会使得金属热板在电磁场中产生的涡流损耗显著增加；涡流损耗集中产生在线圈覆盖的金属热板平面上，线圈分布密集的区域，涡流损耗的集中程度相对较高。

参考文献
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图10　不同线圈结构下热板涡流损耗分布以及涡流分布
Simulation analysis of magnetic field distribution for electromagnetic
hot plate of tire vulcanizer
Zhang Zhengluo 1, Zhang Gongda 2, Yu Xiaodong 2, Li Xiaozhen 1
(1. Sinoarp Tire Equipment Technology (Suzhou) Co. LTD., Suzhou 215000, Jiangsu, China;
2. Soochow University, Suzhou 215000, Jiangsu, China)
Abstract: Tire curing equipment has high energy consumption and heavy pollution, which has become a bottleneck restricting the development of the industry. Therefore, efficient and energy-saving electromagnetic induction heating technology has broad application prospects in the tire industry. This paper starts with the parameter design of the electromagnetic hot plate of the tire curing press, and carries out the structural design of the coil. Through the maxwell simulation software, the magnetic field parameters of the electromagnetic hot plate and the coil structure are studied on the eddy current loss distribution of the hot plate for curing press. The results show that when the current is 40 A, the operating frequency is 15 kHz, and the coil length is 32 m, there is a good eddy current loss distribution. Eddy current losses are concentrated on the area covered by the coil, so the design of the coil needs to be combined with the needs of the heated area.
Key words: electromagnetic hot plate; eddy current loss distribution; electromagnetic parameters; tire industry
(R-11)。